Dijital Fotogrametri ve 3B Modelleme

Transkript

1 Dijital Fotogrametri ve 3B Modelleme Ders Notları, 2013 Doç. Dr. Fevzi Karslı Harita Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi KTÜ 07 Ekim 2013 Pazartesi 1

2 Ders Planı ve İçeriği Dijital Fotog. ve 3B Mod. 1. Hafta Giriş, dersin kapsamı, temel tanım ve kavramlar, kaynaklar. 2. Hafta Dijital Yersel Fotogrametri uygulama alanları, 3. Hafta Yersel Fotogrametri ile Hava Fotogrametrisinin karşılaştırılması, 4. Hafta Endüstri, Tıp, Arkeoloji ve Mimarlık Alanlarında kullanım, 5. Hafta Yersel Fotogrametrinin sınıflandırılması 6. Hafta Matematik ve geometrik bağıntılar, koordinat sistemleri, 7. Hafta Alım kameraları, dijital yersel kameralar, kullanılan araçlar, 8. Hafta 1. Arasınav 07 Ekim 2013 Pazartesi 2

3 Ders Planı ve İçeriği Dijital Fotog. ve 3B Mod. 9. Hafta Resim alım yöntemleri, normal, eğik ve dönük alım, 10. Hafta Yersel fotogrametride proje ve ağ tasarımı, 11. Hafta Kontrol noktalarının tesisi ve ölçümü, Resim alım işlemi 12. Hafta Lazer tarama sistemleri 13. Hafta Yersel fotogrametrik yazılımlar: Elcovision 10, PhotoModeler, Pictran vs., 14. Hafta Proje çalışması 15. Hafta Proje çalışmalarının değerlendirilmesi ve sunumu 07 Ekim 2013 Pazartesi 3

4 Kaynaklar-Yazılım Dijital Fotog. ve 3B Mod. Atkinson, K.B., (1996), Close Range Photogrammetry and Machine Vision, Whittles Pub.,. Kraus, K., (1997); Photogrammetry Volume II, Advanced Methods and Applications, Ferd. Dümmlers Verlag, Bonn, Germany. Kraus, K., (2007); Fotogrametri, Fotoğraflardan ve Lazer Tarama Verilerinden Geometrik Bilgiler, Çeviri, İTÜ. Gürbüz, H., (2006); Genel Fotogrametri I, Anakara. Tüdeş, T., (1996);, KTÜ, Trabzon. Baş, H. G., (1993); Analitik Fotogrametri (Yersel), İsatnbul. (anahtar kelime: yer fotogrametri, mimarlık fotogrametrisi, terrestrial and architectural photogrammetry) cipa.icomos.org, PhotoModeler, Elcovision, Pictran, MATLAB ve Derive 6 yazılımları Post message: digfot3bmod@yahoogroups.com Subscribe: digfot3bmod-subscribe@yahoogroups.com 07 Ekim 2013 Pazartesi 4

5 Ölçme ve Değerlendirme Dijital Fotog. ve 3B Mod. Etkinlik Sayı Katkı Oranı Ara Sınav 1 % 30 Yarıyıl Sonu Sınavı 1 % 50 Ödev (Proje) 1 % Ekim 2013 Pazartesi 5

6 Genel Tanım ve Kavramlar Dijital Fotog. ve 3B Mod. Photos (Işık)+,, graphos (çizmek) ve Metron (ölçme)=fotogrametri Yunanca kelimelerden oluşan bir kavramdır. Kısaca ışık yardımıyla çizerek ölçme. Alım merkezinin yer üzerinde bir noktada olması durumunda uygulanan fotogrametrik yönteme yersel fotogrametri denir. Nesnelerden yansıyan elektromanyetik ışınların (enerjilerin) analog veya sayısal olarak kaydedilmesiyle elde edilen görüntüler değerlendirilir. Dolayısıyla fotogrametri; nesnelerle doğrudan temas olmadan onlar hakkında bilgi edinme tekniği olarak tarif edilebilir. Fotogrametri bir uzaktan algılama tekniğidir. Yersel fotogrametri- terrestrial photogrammetry- close range photogrammetry terrestrische photogrammetrie 07 Ekim 2013 Pazartesi 6

7 Yersel Fotogrametri 07 Ekim 2013 Pazartesi 7

11 Yer (Yersel) Fotogrametrisi Resim çekim konumuna göre fotogrametri iki kısma ayrılır. Yersel Fotogrametri Hava fotogrametrisi Türkiyede 1925 yılında 1:25000 ölçekli haritalar ilk önce yersel fotogrametri tekniğine göre yapılmıştır. Uygulamadaki zorluklar nedeniyle bu yöntemden vazgeçilmiştir. Yersel fotogrametrinin harita yapımı amacıyla kullanılabilmesi için; Arazide yeterince yükseklik farkı bulunması veya düz araziye yüksek platformdan resim alınması, Arazinin açık (ağaçsız) olması gerekir. Yersel fotogrametri ile büyük alanların haritasının yapılması oldukça zordur. Çok sayıda kontrol noktası gerektiğinden yapım zamanı ve maliyet yükselmektedir. 07 Ekim 2013 Pazartesi 11

12 Yer (Yersel) Fotogrametrisi Yersel fotogrametri harita yapımının dışında, Mimarlık fotogrametrisi, Endüstri fotogrametrisi Kriminoloji, Tıp vb. alanlarda etkin bir biçimde kullanılmaktadır. Yoğun bir biçimde kullanılma nedenleri? Küçük kuruluşlar tarafından uygulanabilir olması, Basit ve hava fotogrametrisine oranla ucuz aletlerle (sistemlerle) yapılması, Küçük alanlar ve dar kapsamlı konular için daha ekonomik olması, Büyük ölçekli resimlerin kolaylıkla çekilebilmesi, Resim çekiminde kamera sabit olduğundan, uzun poz süreleri uygulanabilir ve yüksel ayırma güçlü görüntülerin elde edilebilmesi. 07 Ekim 2013 Pazartesi 12

13 Sınıflandırma Yersel fotogrametri incelenecek objenin ve kameranın hareket durumuna göre üç gruba ayrılır. Statik (sabit cisimlerin sabit kameralarla incelenmesi), Yarı statik (hareketli cisimlerin sabit kameralarla incelenmesi), Dinamik (hareketli cisimlerin hareketli kameralarla çekilen resimlerle incelenmesi) Statik Yersel Fotogrametri Uygulama Alanları - Baraj rezervasyon alanının haritalanması, - Yarma ve dolgu ölçmeleri, - Taş ve maden ocaklarında dekupaj veya hacim hesapları, - Mimarlıkta röleve, belgeleme ve özellikle restorasyon çalışmaları, 07 Ekim 2013 Pazartesi 13

14 : Amaç Fotogrametrik yöntemle obje yüzeyi üzerindeki noktaların arazi koordinatlarının hesaplanması, Yersel Fotogrametri Aşamaları a) Obje yüzeyine yeteri sıklıkta yer kontrol noktası tesisi ve ölçümü, b) Resim çekimi ve fotoğrafik işlemler, c) Değerlendirme, d) Kartoğrafik işlemler e) Çoğaltma 07 Ekim 2013 Pazartesi 14

15 Uygulama Alanları 07 Ekim 2013 Pazartesi 15

19 Hava Fot. ile Yer Fot. Karşılaştırılması Hava fotogrametrisinde, hava kameraları ile resim çekilen cisim kameraya çok uzak olduğu için görüntü odak düzleminde oluşur. (Yer fotogrametrisinde de topografik amaçlar için uzaktaki nesneler kullanıldığında aynı durum söz konusudur.) Yersel fotogrametride, yakın çekim yapan kameralar ile çekilen görüntüler ise odak düzleminin dışında gerçekleşir 07 Ekim 2013 Pazartesi 19

20 Hava Fot. ile Yer Fot. Karşılaştırılması Fotogrametri I Yer fotogrametrisinde kullanılan kameraların hava fotogrametrisindeki kameralara göre farkı, kameranın istenilen yöne istenildiği gibi yöneltilmesidir (kameraya verilen dönüklük açısını ölçmek veya istenilen dönüklük durumunu kameraya verebilmek için, kamera bir yöneltme düzeni ile donatılır.) Hava fotogrametrisinde hareketli fotoğraf çekimi yapılırken, yersel fotogrametride sabit kamera ile çekim yapılır. 07 Ekim 2013 Pazartesi 20

21 Hava Fot. ile Yer Fot. Karşılaştırılması Hava fotogrametrisinde ölçülecek alan resimlerin enine ve boyuna bindirilmesi ile kaplanabilmektedir. Yer fotogrametrisinde ise, arazi şartlarına göre, istasyon noktalarının yan yana gelişiyle yatay yönde kaplama sağlanabilmekte ancak düşey yöndeki kaplamada her zaman tek bir çekimle sağlanmamaktadır. Hava fotogrametrisinde metrik kameralar (kamera sabiti (c), iç yöneltme elemanları bilinen) kullanılırken, yersel fotogrametride metrik olmayan kameralar kullanılır. Hava fotogrametrisinde alım ekseni Z (düşey eksen), yer fotogrametrisinde Y (yatay eksen) dir. 07 Ekim 2013 Pazartesi 21

22 Mesafe Sınıflandırması 07 Ekim 2013 Pazartesi 22

23 Yersel Fotogrametride Koordinat Sistemi 07 Ekim 2013 Pazartesi 23

24 Yersel Fotogrametride Koordinat Sistemi 07 Ekim 2013 Pazartesi 24

25 Kamera Kalibrasyonu Dijital kamera ile elde edilen görüntülerin doğrudan bilgisayar ortamına aktarılabilmesi ve işlenebilmesi gibi özellikler, dijital kameraya olan talebi artırmıştır. Amatör dijital kameralara paralel olarak fotogrametrik amaçlı metrik dijital kameraların üretimi de hızla artmaktadır. Ancak, fotogrametrik amaçlı üretilen metrik dijital kameraların fiyatının yüksek olması, fotogrametricilerin amatör dijital kameraya yönelmelerine neden olmuştur. Amatör dijital kameraların fiyatları ucuz olmasına rağmen fotogrametrik değerlendirmede çok önemli olan iç yöneltme elemanlarının bilinmemesi bir dezavantaj oluşturmaktadır. Bu dezavantaj, kameranın kalibrasyonu yapılmak suretiyle giderilmeye çalışılmaktadır. 07 Ekim 2013 Pazartesi 25

26 Kamera Kalibrasyonu Kamera kalibrasyonu, iki boyutlu görüntülerden metrik bilgi çıkarmak için gerekli bir ön işlemdir. Kalibrasyon teknikleri en genel biçimde fotogrametrik kalibrasyon ve kendi kendine kalibrasyon (self kalibrasyon) olmak üzere ikiye ayrılır. Fotogrametrik kalibrasyon; üç boyutlu uzayda geometrisi iyi bilinen bir kalibrasyon objesine yapılan gözlemlerle gerçekleştirilmektedir. Self kalibrasyon teknikğinde ise, herhangi bir kalibrasyon objesi kullanılmamaktadır. Bu yaklaşım çok esnek olmasına rağmen, yaygın biçimde kullanılmamaktadır. 07 Ekim 2013 Pazartesi 26

27 Kamera Kalibrasyonu Bir kamerayı kalibre etmek için, uygun matematik modele ihtiyaç duyulmaktadır. En iyi bilinen modeller; Pinhole Model, Doğrudan Lineer Dönüşüm Modeli (DLT) ve Fotogrametrik Model (Kollinearite) dir. Bu modellerle; odak uzaklığı, resim orta noktası koordinatları, distorsiyon parametreleri ve kamera yöneltme parametreleri gibi kameranın iç ve dış yöneltme parametreleri hesaplanabilmektedir. Fotogrametrik model, bir kameranın hem iç hem de dış yöneltmesini dikkate alan, kapsamlı bir kamera kalibrasyon modelidir. Kamera parametreleri biliniyorsa, bir resmin iç yöneltmesi yapılabilir. Bunlar; kamera odak uzaklığı (f), asal nokta koordinatları (x 0,y 0 ) ve mercek distorsiyonudur (Δr). Bu yönteminin uygulanabilmesi için geometrik doğruluğu iyi bilinen bir test alanına ihtiyaç vardır. 07 Ekim 2013 Pazartesi 27

28 Kamera Kalibrasyonu-Distorsiyon Cisimden gelen ışın, objektife girişte optik eksenle α açısını yapıyorsa, mercek hatasından dolayı objektiften çıkışta optik eksenle α açısını yapacaktır. Böylece obje noktasının görüntüsü, olması gereken yerden Δr kadar farklı bir yerde meydana gelecektir. Δr görüntü kayıklığı distorsiyon hatası olarak adlandırılmaktadır. 07 Ekim 2013 Pazartesi 28

29 Çapsal ve Teğetsel Distorsiyon Obje noktasının resim üzerindeki görüntüsü de a noktasında olması gerekirken distorsiyon hatasından dolayı a noktasında oluşmaktadır. Distorsiyon hatasından ileri gelen aa kayıklığı, çap doğrultusunda ve buna dik doğrultuda iki bileşene ayrılır. Bunlardan birincisine çapsal (ışınsal) distorsiyon (Δc), buna dik olan bileşene de teğetsel distorsiyon (Δt) adı verilir. Teğetsel distorsiyon çok küçük olduğundan (2-3 m) uygulamada genellikle dikkate alınmaz. 07 Ekim 2013 Pazartesi 29

30 Kamera Kalibrasyonu-Test Levhası PhotoModeler yazılımı Kamera Kalibrasyon Test Alanı, 100 adet ölçü noktası, 4 adet kodlu noktadan oluşmaktadır. Bu yazılımda distorsiyon etkisinin matematik eşitliği; r: çapsal uzaklık, K 1, K 2, K 3 : Çapsal distorsiyon katsayıları. Geniş açılı mercek kullanımında K 3.r 7 terimi de eşitliğe eklenir. 07 Ekim 2013 Pazartesi 30

31 Kamera Kalibrasyonu-Matematik Model 07 Ekim 2013 Pazartesi 31

32 Kamera Kalibrasyonu-PhotoModeler 07 Ekim 2013 Pazartesi 32

33 Yerse Fotogrametri- Matematik Model Yersel fotogrametride matematik model ile dikkate alınması gereken faktörler: Kamera konumu ve yöneltmeler, Farklı istasyonlardan çekim, Kalibre edilmemiş kameralar, Sabit olmayan mercek sistemi, Yersel referans sistemi Matematik model olarak obje koordinatları ile resim koordinatları arasında dönüşümü sağlayan ve kollinearite eşitliğinin basitleştirilmiş şekli olan DLT (Direk Lineer Transformasyon) metodu ve kolineariteyi esas alan Işın Demetleri (Bundle Adjustment) metodu kullanılır. 07 Ekim 2013 Pazartesi 33

34 Matematik Model-DLT 07 Ekim 2013 Pazartesi 34

35 Matematik Model-DLT DLT çözümü için uzayda 6 kontrol noktası gereklidir. 07 Ekim 2013 Pazartesi 35

36 Matematik Model-Işın Demetleri 07 Ekim 2013 Pazartesi 36

37 Ağ Tasarımı Yersel fotogrametride ağ tasarımı; Farklı istasyonlardan çoklu resim çekimi, Konvergens veya stereo görüntü alımı, Her bir noktanın en az üç görüntüde şekillendirilmesi, Kontrol ve pas noktalarının oluşturulması aşamalarını içermektedir. 07 Ekim 2013 Pazartesi 37

38 Ağ Tasarımı- 3x3 Kuralı Yersel fotogrametride ağ tasarımı ve proje gerçekleştirimi 3x3 kuralına göre yapılır (1988, CIPA Sempozyumu, Sofya). Geometrik Kurallar: - Kontrol uzayının hazırlanması - Çoklu fotoğraf çekimi ile objenin kaplanması - Stereo çiftlerin alınması Fotoğrafik Kurallar: - Kamera iç geometrisinin sabitlenmesi, - Yeteri derecede ışıklandırma/aydınlatma, - Stabil ve geniş formatlı kamera seçimi Organizasyonel Kurallar: - Kroki hazırlanması, - Protokol yazımı, - Son kontrol. 07 Ekim 2013 Pazartesi 38

39 Geometrik Kurallar-Kontrol uzayının hazırlanması Obje üzerinde kontrol noktası tesisi, Düşey çizgi belirleme, (bina çatısı ile zemin arasında mesafe gibi) Bütün yüzeylerde aynı işlemi tekrar etme. Minimum gereksim: 1 yatay mesafe (2 nokta arası) ve düşey çizgi. 07 Ekim 2013 Pazartesi 39

40 Geometrik Kurallar- Çoklu fotoğraf çekimi ile objenin kaplanması Obje etrafında en az %50 bindirmeli fotoğrafların çekimi, Obje yüksek ise, fazla resimle düşey kaplama, Köşegenlerde fazladan resim alımı, Çatıların mümkünse resmedilmesi, Rektifikasyon veya ortofoto için ortogonal resim alımı (önemli 07 Ekim 2013 Pazartesi 40

41 Stereo resimler; Geometrik Kurallar- Stereo çiftlerin alınması Normal alım durumunda 1:4 1:15 baz-yükseklik (mesafe) oranlarında, Konvergent alımda ise 1:10-1:15 oranında çekilmeli, Divergens alımdan kaçınılmalı, Detay alımı için yakın çekim stereo yapılmalı, Eksik detay kalmamasına dikkat edilmeli, 07 Ekim 2013 Pazartesi 41

42 Fotoğrafik Kurallar- Kamera iç geometrisinin sabitlenmesi Kalibrasyon kamera sabiti değeri ayarlanmalı, Optik büyütme küçültme yapılmamalı, Obje mesafesi çok değiştirilmemeli, 07 Ekim 2013 Pazartesi 42

43 Fotoğrafik Kurallar-Aydınlatma Gün içinde uygun zaman planlanmalı, Tripod ve kablo kullanılmalı, Renkli çekim yapılmalı, Görüntü bilgisayara aktarılmalı ve kontrol edilmeli. 07 Ekim 2013 Pazartesi 43

44 Fotoğrafik Kurallar-Uygun kamera seçimi Geniş açılı kamera daha uygundur, Orta formatlı kamera tercih edilmeli, Kalibrasyonlu kamera kullanılmalı, 07 Ekim 2013 Pazartesi 44

45 Organizasyon Kuralları- Kroki hazırlama Zemin planı hazırlanmalı, Cephelerin düşey planı (1:100-1:500) hazırlanmalı, Obje ile ilgili sözel bilgiler not edilmeli (sahibi, adres vb.), Kuzey yönü belirlenmeli, Fotoğraf çekim noktaları ve çekim yönü krokiye aktarılmalı Tek çift fotoğraf kaplama alanları yaklaşık belirlenmeli, Yatay ve düşey kontrol çizgileri krokiye aktarılmalı. 07 Ekim 2013 Pazartesi 45

46 Organizasyon Kuralları-Protokol yazımı Obje, sahibi ve adresi, Tarih, Kamera, odak uzaklığı, optik bilgileri, Kalibrasyon raporu, Obje alanını kısa tanıtma, 07 Ekim 2013 Pazartesi 46

47 Organizasyon Kuralları-Son kontrol Yapılan çalışmaya ilişkin her şey kontrol edilmeli ve gerekli tüm bilgiler not edilmelidir. 07 Ekim 2013 Pazartesi 47

48 Yer Kameralarının Ayarlanması Hava kameralarında görüntü odak düzleminde oluşur. Yer kameralarında ise görüntü odak düzleminin arkasına düşmektedir. Bu sebepten kameralar belirli uzaklığa göre ayarlanırlar. Kameralar belirli uzaklığa ayarlandığında bu noktanın (kamera ayarlanan nokta) önünde ve arkasında görüntü net olarak gözükür ki bu durum odak ötesi uzaklık ve alan derinliği ile açıklanır. Odak ötesi uzaklık D A A d a f 07 Ekim 2013 Pazartesi 48 b

49 Odak ötesi uzaklık Merceğin önündeki cisim A noktası merceğe odak uzaklığından daha yakında değilse görüntü odak dışında belirir. Sonsuzdaki nokta görüntüsü ise odakta oluşur. A deki görüntü d yarıçaplı bir daire şeklindedir. Buna yayılma dairesi denir. Yayılma dairesi çapı; Odak uzaklığı büyük kameralarda: 1/20 mm Odak uzaklığı küçük kameralarda: 1/30 mm olarak alınır. b uzaklığı arttıkça yayılma dairesi çapı artar. Yayılma dairesi çapının max olduğu anda cisim noktasının merceğe olan uzaklığına odak ötesi uzaklık denir. Mercek odak ötesi uzaklığa ayarlandığında A noktası görüntüsü net olur. 07 Ekim 2013 Pazartesi 49

50 Odak ötesi uzaklık Optiğin temel kuralı Odak ötesi uzaklık bağıntısı D: fotoğraf çekildiği anda diyafram çapı d: yayılma dairesi çapı f: odak uzaklığı a: odak ötesi uzaklık 07 Ekim 2013 Pazartesi 50

51 Uygulama Bir kameranın odak uzaklığı 50 mm dir. Fotoğrafın çekildiği anda diyafram sayısı 16 dır. Yayılma dairesi çapı 1/20 mm olduğuna göre odak ötesi uzaklığı hesaplayınız. f: odak uzaklığı k: diyafram sayısı d: yayılma dairesi çapı 07 Ekim 2013 Pazartesi 51

52 Netlik (Alan) Derinliği A C B E a y D f b A B d E Eğer kamera odak ötesi uzaklıktan yakındaki bir noktaya ayarlanmışsa, sonsuzdaki cismin görüntüsü net olmaz. Netliğin son bulduğu nokta odak ötesi uzaklıkla sonsuz arasındadır. Bu nokta ile kamera arasında bir nokta daha vardır ki bu noktada netlik başlar. E noktası netliğin başladığı A noktası ise netliğin sona erdiği noktadır. A ile E arasındaki uzaklığa alan derinliği denir. a o Şekilden yakın nokta için; a u Fiziğin temel kuralından 07 Ekim 2013 Pazartesi 52

53 Netlik (Alan) Derinliği Aynı şekilde uzak nokta için; a y = alan derinliğinin başlangıç uzaklığı, a 0 = kameranın ayarlandığı uzaklık, a u = alan derinliğinin sona erdiği uzaklık, D= diyaframın çapı, d= yayılma dairesinin çapı, b= görüntü uzaklığı. b yerine çok yakın uzaklıklar hariç, b f alınabilir. f= kamera odak uzaklığı, k= diyafram sayısı. 07 Ekim 2013 Pazartesi 53

54 Netlik (Alan) Derinliği, Uygulama Alan derinliği, a) Kameranın odak uzaklığına, b) Diyafram sayısına, c) Ayarlanan uzaklığa bağlıdır. Yersel fotogrametride alan derinliğinin büyük olması istendiğinden; a) Odak uzaklığı küçük, b) Diyafram sayısı büyük kameralar kullanılmalıdır. Örnek: f=60 mm, diyafram sayısı 8 iken, kamera 5 m ye ayarlanmış ise, alan derinliği ne kadardır? (d=1/20 mm) Alan derinliği 11,25 m ile 3,21 m ler arasındadır. 07 Ekim 2013 Pazartesi 54